低速大转矩永磁直驱传动系统在矿井提升机上的应用

刘坤良，徐永福，杜 波，李文洒

1中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039

2智能矿山重型装备全国重点实验室 河南洛阳 471039

矿 井提升机是利用电动机驱动卷筒，卷筒带动钢丝绳牵引提升容器，沿井筒或斜坡道进行提升的机械设备。它主要用于提升煤炭、矿石、矸石，下放材料，升降人员和设备，是联系矿井井下和地面的“咽喉”设备。传统的矿井提升机传动系统效率低，能耗大，维护量大，可靠性差；现急需一种效率高、可靠性高、节能降耗的传动系统来满足矿山节能减排、绿色生产需求[1]。

1 矿井提升机传动系统

矿井提升机根据原理不同，分为单绳缠绕式、多绳摩擦式、多绳缠绕式提升机。缠绕式和摩擦式提升机根据驱动电动机的类型不同，其传动系统可分为以下两种。

1.1 异步高速电动机+减速器传动系统

矿井提升机采用异步高速电动机时，其传动系统如图1 所示，通常称之为Ⅰ型。它包括异步高速电动机、弹性棒销联轴器、减速器、齿轮联轴器、主轴装置。该传动系统比较成熟，虽然其传动链轴向方向尺寸较大，占地空间较大，效率低，故障点多，维护量大，但是由于一次性投入相对较少，在矿山开采中应用较多，主要用于中小规格矿井提升机。

图1 Ⅰ型多绳摩擦式提升机传动方式Fig.1 Drive mode of type I multi-rope friction hoist

1.2 电励磁低速直联同步电动机传动系统

矿井提升机采用电励磁低速直联同步电动机时，其传动系统如图2 所示，通常称之为Ⅲ型。电动机与提升机共用主轴；电动机转子采用锥孔过盈配合与提升机主轴相连，传扭能力大；利用液压工具进行安装及拆卸，技术成熟；轴向尺寸较小，占地空间小。由于需要对电动机进行电励磁，损耗较大，且需对碳刷和滑环进行维护，该传动系统主要应用于中大型矿井提升机。

图2 Ⅲ 型多绳摩擦式提升机传动方式Fig.2 Drive mode of type III multi-rope friction hoist

2 变频调速永磁电动机工作原理及特点

2.1 工作原理

永磁电动机采用永磁体磁极代替电流励磁的磁极，磁钢设置在转子中，不需要输入电流就可以产生磁场。在运行过程中，借助永磁体产生的旋转磁场，转子与旋转磁场同步旋转。永磁直驱电动机不需要无功励磁电流，可以显著提高效率和功率因数，减少定子电流和定子损耗[2]。

2.2 特点

相比于异步电动机，永磁电动机转子结构简单，没有励磁绕线组，转子铜耗较少，负载率相同时，其功率因数比同规格的异步电动机可提高 10%～15%[3-4]，效率也高于异步电动机。异步电动机与永磁电动机功率因数与效率对比如图3、4 所示。

图3 功率因数对比曲线Fig.3 Comparison curves of power factor

图4 效率对比曲线Fig.4 Comparison curves of efficiency

与电励磁同步电动机相比，永磁电动机在性能方面与之相当，但永磁电动机具有自己的优势。永磁电动机极对数多，额定频率点高，易于实现超低速运行；不需要励磁电流，也不存在碳刷和集电环之间的接触损耗，维护简单，整体效率高，运行更加节能[5]。

2.3 变频驱动调速工作原理

变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。它将电网提供的恒压、恒频的交流电转变成提升机所需要的新的电压和频率的交流电，实现对电动机的无极调速，来满足矿井提升机不同提升阶段的速度需求[6]。低速直联永磁同步变频驱动传动系统配备永磁直驱变频器，运行稳定，过载能力强，更适用于矿井提升机运行工况。

3 低速直联永磁同步变频驱动传动系统

3.1 系统组成及特点

矿井提升机采用低速直驱永磁同步电动机时，具体布置如图5 所示。永磁同步电动机与提升机主轴装置直接采用齿轮联轴器连接，结构简单，轴向尺寸小，占地面积小。由于省掉了减速器及润滑站，传动链大大缩短，提高了传动效率，节约了维护及用油成本，提高了设备运转率。

图5 低速永磁直驱矿井提升机传动方式Fig.5 Drive mode of mine hoist with low-speed permanent magnet direct drive

矿井提升机采用永磁同步电动机直驱，使用永磁专用变频器，电流/转矩动态响应快，可消除起车超调及启动冲击，实现零速满转矩输出，停车稳定无冲击，更适用于提升机运行工况。

3.2 与传统传动系统的对比

以 JKM-2.8×4 多绳摩擦式提升机为例，其提升系统参数：采用 ZZDP900 行星齿轮减速器；提升机主轴负载功率按 1 120 kW 计算；提升机年工作 330 d，每天 3 班，每班 8 h。永磁同步低速直联变频驱动系统与传统的矿井提升机传动系统对比情况如表1、2所列。

表1 传动效率对比分析Tab.1 Comparative analysis of drive efficiency

表2 节能效果对比分析(满载运行)Tab.2 Comparative analysis of energy saving effect(full-loading operation)

由表1、2 可知，低速直联永磁同步变频驱动系统的各项指标均占优势。它占地空间小，总传动效率高，故障点少，维护量小，节能效果显著，符合矿山节能减排、绿色生产需求。

4 提升机永磁变频驱动电控系统

矿井提升机永磁变频驱动电控系统主要由高低压开关柜、PLC 控制柜、永磁专用变频器、控制板、接口板、位移传感器、磁开关等组成。

矿井提升机永磁变频驱动电控系统为了满足矿井提升机的工况需求，采用六大核心技术，包括有源前端四象限控制技术、最大转矩电流比矢量算法、载波移项多电评级联技术、静态转子位置辨识技术、双电动机平衡控制技术、堵转及悬停控制技术。

(1)有源前端四象限控制技术基于虚拟磁链和 dq矢量变换，电流响应快，能量快速双向流动；

(2)最大转矩电流比矢量算法技术基于 Foc 高性能矢量控制算法，动态特性好，起制动平滑；

(3)载波移相多电平级联技术基于载波移相技术实现多电平级联，输出电压高，波形正弦、谐波小；

(4)静态转子位置辨识技术高频信号注入，无需开车自动检测转子位置，摆脱编码器限制；

(5)双电动机平衡控制技术基于高速光纤通信及主从转矩平衡控制，转矩不平衡度≤ 1%；

(6)堵转及悬停控制技术通过转矩前馈、限幅等技术实现堵转及悬停功能，防止溜车，停车冲击小。

主控系统采用以上核心技术具备高可靠性，可实现小于 0.1 m/s 超低速运行及零速悬停控制，保证提升机制动更加平稳。

5 低速直联永磁同步变频驱动应用

目前，中信重工生产的单绳缠绕式、多绳摩擦式矿井提升机均已广泛采用低速直联永磁同步变频传动，并已应用于实际项目中，如图6 所示。其中，图6(a)为单绳缠绕式提升机；图6(b)为多绳摩擦式提升机，它用于内蒙古大中矿业，这也是当时国内首次在多绳摩擦式矿井提升机上使用永磁同步低速直联变频驱动。该项目为中信重工机-电-液成套供货，配备自主研发的 CHIC1000PM 系列提升机永磁直驱四象限高压变频器。经过调试，该设备顺利投运，现场运行情况良好，性能稳定。

图6 低速直驱永磁同步传动矿井提升机的现场应用Fig.6 Field application of mine hoist with low-speed direct drive permanent magnet synchronous drive

6 结论

(1)矿井提升机采用低速直联永磁同步变频驱动，较传统传动系统占地空间小，日常维护量小，可靠性高。该驱动系统利用变频器技术，可以实时调节转速和输出转矩大小，低速性能好，动态响应快，节能效果显著。它在给用户维护带来便利和实际效益的同时，也符合国家矿山节能减排、绿色生产需求。

(2)矿井提升机老旧设备改造项目可参考采用低速永磁直驱同步传动方案。

(3)目前应用的低速直联永磁同步变频驱动系统，由于齿联传扭能力限制，提升机规格相对较小，后期可开发锥孔直联式永磁同步驱动系统用于大型矿井提升机。